基于InVEST模型的四川省2000—2020年生境质量时空动态变化研究

陈 琳

（长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710000）

0 引言

生境质量指生态系统为生物提供良好的生存环境，以及保持可持续发展的能力。生境质量对区域内生物多样性起到表征作用，能够反映人类生存环境的优劣程度，是区域生态安全保障的关键环节［1-2］。近年来，由于社会的快速发展和人口增长的压力，导致土地资源的大量占用和过度开发。主要表现在土地利用方式和转变强度的改变，进而引发一系列的环境问题，因此对区域内的生态环境进行评估与分析十分必要，可为资源可持续发展、制定区域生态保护策略提供基础理论依据［3］。

在该研究领域中，目前大致分为两类研究方法：第一类是以景观格局为基准建立评价指标体系；第二类是基于3S技术等数理模型，进行生态评估的定量研究，常见的评价模型有SoLVES模型、HIS模型、InVEST模型等［3-5］。InVEST模型中的生境质量模块的主要功能是评估区域内生境质量等级，该方法的优点是可以迅速检验区域内生境质量和数量的时空变化。选择土地利用数据进行In-VEST模型分析，生境质量的退化可以看做是附近的土地利用强度增加的结果［6］，进行该模型的研究可为深入研究区域内生态系统价值服务功能提供新的可能。

目前，国内外的学者利用该模型对相关流域［3-5］、自然保护区［7］、城市［8］等具有重要生态价值和需求的区域进行生境质量的研究。如赵庆建等［3］以岷江流域的土地利用变化为研究基础数据，对其生境质量进行研究，提出适合流域发展的环保措施；谢余初等［9］把甘肃白龙江流域作为研究对象，将生境质量值、植物生产力、景观状态指数作为环境可持续能力的评价指标，借助GIS和InVEST模型，在栅格像元尺度上对流域的生物多样性进行时空变化的分析。景晓玮等［10］通过In-VEST模型，分析贵州省2000—2017年的土地利用变化，研究生境质量时空转变与土地利用类型转变之间的关系。

四川省作为西部地区重要的经济中心，区域内土地利用类型丰富，林地、草地所占比重较大，生态环境和生物资源丰富。近年来，四川省的城镇化、农业现代化进程不断加速，导致区域内的土地利用类型之间不断发生转换。不同地类的面积变化和相互转移，区域的生态环境状况也会发生明显的变化。因此，借助ArcGIS和InVEST模型软件对四川省进行生境质量的定量分析是必要的，本研究基于InVEST生境质量模型的优点，通过分析四川省2000—2020年的土地利用变化，对四川省该时段生境质量时空变化特征进行研究，为四川省生态保护和生态示范区建设提供有力的理论支撑。

1 区域概况

四 川 省（97°21＇E～108°33＇E，26°03＇N～34°19＇N）地处中国西南，面积约49万km2，被称为“天府之国”。四川省地貌类型东西差异大，主要区域分为：四川盆地、川西北山地地区、川西高山高原区、川西南山地丘陵区。山地、丘陵是区域内主要的两种地貌类型，分别约占全省总面积的74.2%和10.3%。四季分明的季风气候，夏季多暴雨，易引发泥石流、洪灾等自然灾害。西部与青藏高原相连，区域内自然条件相对恶劣，生态环境脆弱；东部地处平原、丘陵，城市聚集，人口分布密度大，人地矛盾突出。

2 研究数据与研究方法

2.1 数据来源

研究数据主要包括四川省土地利用数据（2000、2010、2020年）和四川省行政边界数据。土地利用数据源自中国科学院资源环境科学数据中心（https://www.resdc.cn）的土地利用现状遥感监测数据库数据集中，分辨率为1 km×1 km。

2.2 土地利用类型变化

本研究选择土地利用转移矩阵的方法对不同地类的面积增减以及相互之间的转移进行表征，将上述土地利用数据，在ArcGIS中，利用Combine工具计算土地覆被面积，再利用软件中的融合工具和叠加分析工具进行数据分析，最终得到土地利用转移矩阵。

2.3 InVEST模型生境质量评估

运行生境质量模型，需要输入以下5个数据，即当前的土地覆被数据、威胁因子要素表、威胁源栅格图层数据集、威胁源敏感性表、半饱和K常数数值。

生境质量是区域生物适应性指标之一［11］。其价值的大小反映了区域的生境质量。价值越高，生境质量越高，生物多样性水平越高。其计算公式为式（1）。

式中：Qx j表示生境质量指数；Hj表示不同地类的生境适宜度；Dxj为栅格x生境退化度；z为模型中的默认参数；K为半饱和常数，系统默认值为0.5［12］。

式（1）中的生境退化度，是模型中的另外一个指示参数，对威胁因子反应越敏感的生境类型，代表其受到威胁因子的作用越强烈，表现出的生境退化程度越高。计算公式为式（2）和式（3）。

式中：r表示威胁因子；R为威胁源总量；Yr表示威胁源的栅格数；wr为威胁因子权重，取0~1；ry代表一个栅格单元上威胁因子的数量；irxy为威胁因子的影响区域范围；βx表示法律准入水平，取值βx=1；S jr为土地利用类型j对威胁因子r的敏感度，该值越接近1越敏感；dx y表示栅格x到栅格y之间的直线距离；drmax为r的最大威胁距离［12］。

模型中参数的选择根据四川省的实际情况，参考模型使用手册和相关实例及参考文献［13-15］对相应参数进行赋值（见表1，表2）。

表1 四川省威胁因子权重

表2 各威胁源的敏感性及生境适宜度

2.4 空间分析

基于县域提取生境质量进行空间分析，选择冷热点分析方法。生境质量冷热点分析指区域聚类分布特征，密度高的生境质量值为热点，密度低的生境质量值为冷点［15］。利用Getis-Ord G*指数对要素进行冷热点分析，主要原理：计算某一个栅格及其附近栅格的生境质量值的总和，用该总和值与所有栅格的生境质量值总和进行比较，得出该区域生境质量的聚集特点。G*表现为正时，说明生境质量值的密度高，称为热点区域；反之则为冷点区域。计算公式为式（4）。

式中：G*i统计的是z得分；x j是要素j的属性值；ωi,j是要素i和j的空间权重；n为要素总数；

3 结果分析

3.1 土地利用变化特征

从四川省2000—2020年土地利用类型的分布中可以看出：耕地、林地和草地是主要的地类，共占总面积的90%以上。构建土地利用转移矩阵是为了可以更加直观和深入分析近20年土地利用的变化情况（见表3）。四川省土地利用类型转移主要体现在建设用地、农田、草地、林地之间。其间，建设用地面积从2 914 km2增长到6 227 km2，其次，耕地是几种土地利用类型中面积变化最多且转移频率最高的，减少了3 280 km2。耕地、草地等转为建设用地的现象主要发生在东部地区，尤其以成都周边最为显著。2000—2020年四川省的各类地类均发生了变化，主要表现为耕地、建设用地、林地、草地四个大类之间的相互转移。

表3 2000—2020年四川省土地利用转移矩阵 单位：km2

3.2 生境退化度

生境退化度的高低表明土地利用类型受威胁因子胁迫的程度，其分值越高说明土地利用类型受胁迫的程度越高，易发生生境退化的现象。四川省的生境退化度从2000—2020年变化程度较小，易发生生境退化的地区集中在中部，从中心往四周辐射（见图1）。大部分地区退化度分值低，其区域内主要分布的是敏感度较低的草地。林地由于受威胁因子胁迫的敏感度高，所以生境退化值较高。由图1可知，生境退化度得分区间在空间上分布无明显变化。从整体看来，大部分区域生境没有发生明显退化，变化主要出现在中东部。中东部由于城镇建设导致土地利用类型转变，进而影响到生境敏感性的转变，造成已经发生过生境退化的区域再次发生显著的变化。

图1 2000—2020年四川省生境退化度

3.3 生境质量时空演变过程

生境质量指数可以量化区域生态环境的好坏，该指数值越大（取值为0~1）表示生境质量越好。结合四川省生境质量整体情况，对生境质量进行等级划分，划分为优（0.9~1）、良好（0.7~0.9）、一般（0.5~0.7）、较差（0.2~0.5）、差（0~0.2）5个等级，并统计各个等级的面积和变化比例。

从表4中的面积变化情况来看，近20年生境质量等级为优的区域面积增长比例最大，面积增加14 196 km2，占比上升2.9%。生境质量差、较差、一般的区域面积均呈现减少的发展趋势，占比分别下降0.7%、0.3%、1.3%。生境质量等级良好的区域面积变化不大，但是在2010—2020年，其面积呈现减少的发展轨迹，占比下降0.8%。四川省生境质量整体表现为一个较高水平且有一定程度的提升。

表4 2000—2020年四川省生境质量等级面积及变化

从空间分布的角度来看，四川省大部分区域生境质量表现不错，生境质量表现好的区域主要集中在盆地以西、川西高原等地区，东北部和东南部的丘陵、山地分布很少的一部分，区域内植被覆盖率高，自然生态环境良好且稳定，其次相对于海拔低、平坦的地区，高原环境中受到的人类活动干扰小。生境质量表现为一般的区域主要分布在四川省东部地区，主要为耕地、少量建设用地。生境质量较差和差的区域都集中分布在人类活动频繁的城镇及其周围，其中以成都为核心向外辐射，呈现生境质量由差向一般和良好变化的趋势。综上，四川省生境质量呈现东西严重分化的局面。

3.4 生境质量的冷热点分析

四川省生境质量的冷热点分布表现为“东冷西热”（见图2）。热点区域的面积占比大，分布广，主要是城镇发展速度较为缓慢的地区，川西及川南植被覆盖率高的区域，其主要地类为草地、林地为主。冷点区域占比面积相对较小，主要分布在东部，以及西北部个别县区，这些区域主要以成都为中心扩散的城市群，主要的土地利用类型为耕地、建设用地，表现出的生境质量往往较差。从时间的角度来分析，2000—2020年，西北部的冷点区域转变为热点区域，东部的冷点区域随着时间变化，一部分区域逐渐转变为次冷点、次热点区，冷点区面积大尺度缩小。

图2 2000—2020年四川省生境质量冷热点分布

4 讨论

综上所述，四川省的生境质量变化特征具有逐渐变好的总趋势，以2010年为节点，前后两段时间的生境质量值表现呈相反特征。这些变化特征的原因与土地利用类型的格局分布密切相关。前人研究表明土地利用方式的转变将会是影响环境的最大因素之一，同时也将成为生境质量降低、生物多样性减少的主要原因［3］。研究发现，2000—2020年四川省各土地利用变化幅度均低于10%，研究区的平均生境质量基本上没有明显的降低，低等级的生境质量面积占比在减少，高等级的生境质量面积占比在提高。从数据上显示，以2010年为节点，生境质量在整个过程中低等级的呈现提高又降低的趋势。其主要原因与四川省近20年来的经济发展密切相关。将人口密度、城镇化率这些影响环境的主要驱动力与之联系起来，便能很好的得出生境质量如此变化的原因。从2000—2010年，成都市主要的几个经济大区城镇化率就已经达到100%，其他临近的城市城镇化率也是突飞猛进的增长，绵阳、自贡等地级市在2020年达到90%。城镇的大面积扩张，涉及的区域生态环境变差。但四川省总体表现为低等级的生境质量提高，高等级的生境质量面积也在增加，主要原因是境内流域的生态保护，退耕还林的实施，对重点污染和部分合适的区域实施生态修复、土地复垦、复种等项目，上述各种项目的有效实施对生境质量的提高起到长期有效的保障作用。从四川省的生境质量斑块分布空间来说，川西地区生境质量水平高，且保持相对稳定，原因是经济发展水平低，其次是生态环境的重点保护对象，生态保护力度大。川东地区城市群集中且经济发展速度快，城镇发展和相关政策的落实，区域内有大量人类活动，这些是导致四川省生境质量空间分布呈现西高东低格局的主要原因。不同的地貌类型其生境质量呈现不同的变化，基于该研究区西部和东部分别是高原和盆地两种截然不同的地貌类型，其生境质量的变化也有一些差别。

5 结论

①2000—2020年，四川省建设用地面积在原本的基础上增长了114%，耕地是减少最明显的土地利用类型。

②从生境退化度角度分析，2000—2020年，生境质量退化程度较小，易发生退化的区域集中分布在中部，以成都为中心。四川省生境质量表现为空间上东西分化明显，生境质量等级之间的面积差异显著。最直接的表现是生境质量等级为优的区域面积增长最多，其他等级的变化不太明显。

③土地利用方式的变化是四川省生境质量变化的主要原因，其次，区域内的不同地貌类型也对生境质量产生一定的影响。